劉進 羅仁江 楊勇(中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠，重慶 401120)

0 引言

在工業(yè)中，交流電機廣泛應用于水泵、風機、機床、壓縮機等領(lǐng)域。近年來，隨著新能源的推廣，在風力發(fā)電、電動汽車等應用中，交流電機也起到越來越重要的作用。隨著交流電機應用的推廣，在其運行維護上投入的成本也越來越多。電機故障不僅會導致設(shè)備的損害，威脅生產(chǎn)的安全進行，而且電機故障帶來的額外停工時間也會造成大量的經(jīng)濟損失。因此，發(fā)展故障診斷和監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)故障預警，有著重要的應用價值。

在交流電機故障中，常見故障類型包括定子故障、軸故障和轉(zhuǎn)子故障，而交流電機定子繞組絕緣故障占比達30%～40%。交流電機在運轉(zhuǎn)中電壓波動、頻繁啟動、停機產(chǎn)生的過電壓等，會引起繞組之間出現(xiàn)放電和爬電現(xiàn)象，從而降低繞組絕緣性能。因此對繞組絕緣強度進行實時在線監(jiān)測，提前預判定子繞組絕緣故障，實現(xiàn)預防性檢修，逐漸成為連續(xù)性生產(chǎn)企業(yè)迫切需要解決的問題。

1 絕緣在線監(jiān)測技術(shù)工作原理

1.1 工作原理

將開關(guān)柜內(nèi)斷路器和接地刀閘常閉輔助觸點接入主控單元，信號監(jiān)測單元采集高壓斷路器和接地刀閘輔助觸點(常閉)狀態(tài)，當控制器檢測到斷路器和接地刀閘常閉觸點處于閉合狀態(tài)，控制器測量回路電源接通，延時15分鐘后，控制器發(fā)出檢測命令，通過直流信號發(fā)出器，在定子繞組和地之間注入直流電壓2500V，測量在電機定子繞組中產(chǎn)生的泄漏電流，得出不同時段交流電機定子繞組的絕緣電阻值，通過分析第15秒和第1分鐘時的絕緣電阻比值，計算出吸收比；通過分析第1分鐘和第10分鐘時的絕緣電阻比值，計算出極化指數(shù)，最終在控制器上顯示電機絕緣值、極化指數(shù)、吸收比等參數(shù)。通過與預設(shè)目標值進行對比，從而判斷交流電機定子繞組絕緣介質(zhì)水平，提前發(fā)現(xiàn)定子繞組絕緣降低故障。測試結(jié)束后，裝置對地放電，保證設(shè)備本質(zhì)安全。如果在測試狀態(tài)下，現(xiàn)場電機啟動運行，控制器檢測到斷路器或接地刀閘常閉觸點狀態(tài)變?yōu)槌ｉ_，立即發(fā)出命令，斷開真空接觸器和測試信號，自動放電，不影響電機正常啟運，如圖1所示。

圖1 絕緣安全保護裝置接線圖

1.2 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)組成

絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集單元、本地服務器和監(jiān)控平臺。數(shù)據(jù)采集單元由信號單元、帶電傳感器、單級交流真空接觸器、主控單元和監(jiān)控系統(tǒng)組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測裝置安裝在10kV開關(guān)柜中，監(jiān)控電機的絕緣值、吸收比、極化指數(shù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)既可以在主控單元上就地直觀顯示和故障報警，也可以通過光纖將采集的數(shù)據(jù)傳輸至本地服務器，在本地服務器中建立數(shù)據(jù)庫，存儲每次測試數(shù)據(jù)，形成歷史數(shù)據(jù)庫。通過儀表DCS組態(tài)，可以在工程師站上實時顯示每臺交流電機的生命值數(shù)據(jù)，同時也可以建立歷史數(shù)據(jù)報表、交流電機定子繞組絕緣值曲線圖和絕緣介質(zhì)曲線圖，疊加兩種曲線，結(jié)合大數(shù)據(jù)庫，評估交流電機剩余壽命，如圖2所示。

圖2 絕緣監(jiān)測系統(tǒng)組成

2 應用實踐

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

天然氣凈化廠循環(huán)水泵交流電機凈化裝置大，高壓交流電機數(shù)量多，自投入運行以來，先后多次發(fā)生交流電機定子繞組絕緣故障，在生產(chǎn)運行過程中因絕緣降低易引起相間拉弧放電，出現(xiàn)過嚴重短路故障，造成了系統(tǒng)電網(wǎng)波動，影響裝置正常生產(chǎn)。尤其是循環(huán)水系統(tǒng)水泵電機長期運行于潮濕環(huán)境中，每年大修檢查時均發(fā)現(xiàn)定子繞組中存在電暈現(xiàn)象。

10kV電機故障主要包括機械故障和絕緣故障，投產(chǎn)以來，累計發(fā)生故障12次電機故障。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，電機繞組故障占高壓電機故障58%，尤其是循環(huán)水泵電機繞組故障，投產(chǎn)以來累計出現(xiàn)過4次繞組絕緣不合格現(xiàn)象，其中一次還造成10kV系統(tǒng)電壓波動，凈化裝置動設(shè)備閃停。

2.2 存在問題

現(xiàn)有高壓電機繞組絕緣檢測手段主要每年大修檢維修中心調(diào)試班人員打開電機接線盒對電動機進行一次全面檢測，使用機械式兆歐表測量電動機繞組絕緣，從而判斷電動機的健康狀態(tài)。使用機械式兆歐表只能對繞組絕緣進行定性，不能精確測量反應繞組的重要參數(shù)(極化指數(shù)和吸收比)，同時還不能實現(xiàn)實時在線連續(xù)監(jiān)測。

現(xiàn)有監(jiān)測高壓電機繞組絕緣方式主要存在以下缺點。

(1)故障發(fā)現(xiàn)不及時，后果較為嚴重，例如循環(huán)水泵P-3101B繞組絕緣過低，出現(xiàn)短路接地故障，引發(fā)10kV系統(tǒng)電壓波動，導致48臺低壓設(shè)備停運，影響裝置正常生產(chǎn)。

(2)根據(jù)管理制度要求開展人工檢測，檢測次數(shù)少，不能實現(xiàn)電機繞組絕緣在線實時監(jiān)測。

(3)人工檢測，檢維修人員需要進行停電、隔離和驗電操作，反復打開電機接線盒，拆接電機接線柱，工作量大，操作程序復雜繁瑣，同時，可能存在損壞電機接線柱風險。

(4)檢測時人員進入到空間受限的高壓開關(guān)柜線纜室內(nèi)開展檢測作業(yè)，存在觸電風險。

2.3 新技術(shù)應用

將真空接觸器、帶電傳感器和信號發(fā)生器安裝在現(xiàn)有10kV開關(guān)柜線纜室，將主控單元安裝在10kV開關(guān)柜二次室，從電機加熱回路取220VAC電源作為控制器電源，通過10kV真空斷路器和接地刀閘輔助觸點控制主控單元檢測回路電源接通。

為了實時監(jiān)測交流電機定子繞組絕緣狀況(如圖3所示)，在循環(huán)水泵電機配電柜中引入了絕緣在線監(jiān)測系統(tǒng)，將檢測設(shè)備接入其中任意一相出線電纜中，在系統(tǒng)停機時，采用單次測量方式對電機回路絕緣進行檢測，通過主控單元就地顯示電機的絕緣電阻值、吸收比和極化指數(shù)。在安裝調(diào)試過程中就發(fā)現(xiàn)了循環(huán)水泵電機絕緣過低，通過人工檢測對比，檢查發(fā)現(xiàn)因接線盒受潮導致電機回路絕緣過低，不能繼續(xù)使用，需要做絕緣加強處理，實現(xiàn)預防性檢修，有效避免了損失進一步擴大。

圖3 電機繞組絕緣監(jiān)測趨勢圖

2.4 取得的成果

與使用兆歐表人工檢測電機繞組絕緣相比，在線檢測方法省去了停送電操作、打開電機接線盒，拆除高壓電纜等繁瑣的操作步驟，檢測時間大大縮短。目前檢測頻次每年由人工檢測的4次增加到48次，同時可以根據(jù)需要自行調(diào)整檢測頻次。采用絕緣在線監(jiān)測裝置實現(xiàn)電機繞組絕緣自動檢測，提升了電氣設(shè)備自動化監(jiān)測水平，不僅增加檢測頻次，同時還降低了檢測勞動強度，節(jié)約了人工檢測成本。通過實施電機繞組絕緣在線監(jiān)測，技術(shù)管理人員可以通過數(shù)據(jù)分析及時發(fā)現(xiàn)絕緣降低趨勢和實時絕緣值，提前預警，提醒技術(shù)管理人員及時安排電機維護保養(yǎng)，將故障消除在萌芽狀態(tài)，防止故障擴大，發(fā)展成為短路或接地故障，從而引發(fā)10kV系統(tǒng)電壓波動。保證溶液循環(huán)泵等主要動設(shè)備安全長周期運行，避免凈化裝置聯(lián)鎖停車，原料氣放空，確保川渝兩地安全平穩(wěn)供氣。

2.5 遺留問題

接下來，計劃將所有10kV交流電機絕緣監(jiān)測裝置采集到數(shù)據(jù)上傳至本地物聯(lián)網(wǎng)服務器，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組態(tài)顯示，同時在手機APP中顯示，利用絕緣在線監(jiān)測裝置可以監(jiān)測每臺電機的絕緣值、吸收比、極化指數(shù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，自動生成電機繞組絕緣、吸收比和極化指數(shù)趨勢圖，技術(shù)管理人員可以根據(jù)趨勢圖判斷電機絕緣狀態(tài)和絕緣介質(zhì)老化程度，通過與預設(shè)基準數(shù)值進行比較，分析判斷交流電機絕緣狀態(tài)，當電機絕緣低于預設(shè)值時，系統(tǒng)自動報警，推送報警信息，提醒技術(shù)管理人員安排檢修，實現(xiàn)了故障提前預警和預防性檢修的目的。絕緣在線監(jiān)測裝置投入運行后，發(fā)現(xiàn)主控單元通訊模塊穩(wěn)定性較差。目前，一共有3套設(shè)備主控單元因控制板散熱不良，出現(xiàn)了通訊中斷故障，技術(shù)人員將與設(shè)備廠家溝通交流，共同解決通訊模塊穩(wěn)定性問題。

3 結(jié)語

交流電機繞組絕緣在線監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定子繞組絕緣實時在線監(jiān)測，克服了過去使用傳統(tǒng)機械式兆歐表進行人工檢測的繁瑣程序，可以有效降低勞動強度，提供了更為及時、準確、真實、針對性更強的智能化電氣設(shè)備檢測手段，對提高電力設(shè)備運行安全水平，及時發(fā)現(xiàn)交流電機繞組故障隱患，保障凈化裝置安全平穩(wěn)運行，避免非計劃性停車有著積極的作用。隨著云技術(shù)和大數(shù)據(jù)時代的到來，絕緣監(jiān)測技術(shù)發(fā)展已進入新時代，檢測設(shè)備更智能化、小型化，不僅僅局限于單一設(shè)備檢測，而是能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)絕緣在線實時檢測、故障預警和定位，實現(xiàn)電氣設(shè)備故障數(shù)據(jù)共享，利用大數(shù)據(jù)分析絕緣監(jiān)測數(shù)據(jù)，進一步提升絕緣監(jiān)測技術(shù)可靠性，真正實現(xiàn)電氣設(shè)備預防性檢修。